Цифровой синтез трехфазных сигналов с помощью недорогого ЦАП

Во многих приложениях, в которых используется цифровой синтез трехфазных синусоидальных сигналов, таких как приводы двигателей переменного тока, фильтры активной мощности и синхронизаторы сети, цифровое управление реализуется с помощью микроконтроллера или DSP. Синтез может выполняться с использованием традиционных аналоговых технологий [1] или DDS (direct digital synthesis, прямой цифровой синтез). Цифровые технологии обеспечивают более высокую стабильность и возможность регулировки частоты, фазы и амплитуды. В приложениях, требующих синтеза трехфазного сигнала с разрешением 16 бит и выше, DDS предполагает использование микропроцессора или DSP для взаимодействия с несколькими ЦАП. При таком подходе используется не только большое количество основных устройств, но и вспомогательных компонентов, которые занимают много места на печатной плате. Хотя один ЦАП может иметь несколько каналов с последовательным управлением – четыре, восемь, 32 или более, – большое количество каналов обеспечивается за счет низкой разрядности ЦАП. Поэтому использование многоканальных ЦАП является непривлекательным подходом.

Рисунок 1.	Эта схема реализует DDS (прямой цифровой синтез) трехфазного сигнала с помощью небольшого количества компонентов. Программный код процессора ARM обеспечивает возможность произвольной регулировки частоты, фазы и амплитуды с разрешением 16, 18 или 20 бит.

В качестве альтернативы можно использовать сдвиговые регистры или фильтры на переключаемых конденсаторах, но для такого подхода также нужно большое количество компонентов, а отсутствие регулировки фазы и амплитуды делает этот метод непригодным для DDS высокого разрешения [2]. В то же время стереофонические ЦАП легко доступны. Эти высококачественные компоненты недороги благодаря их широкому применению и массовому производству. Например, микросхема UDA1330ATS имеет последовательный интерфейс I²S, длину слова 16, 18 и 20 бит, частоту дискретизации от 8 до 55 кГц. Эти особенности делают такие ЦАП привлекательными для трехфазных DDS с небольшим количеством компонентов.

В предлагаемой здесь схеме (Рисунок 1) реализована технология DDS с использованием микроконтроллера ARM (IC₁), одного стерео ЦАП (IC₂) и одного операционного усилителя (IC₃). Код микроконтроллера ARM AT91SAM7X256, приведенный в Листинге 1, формирует таблицу, содержащую косинусную функцию нужного разрешения и длины. Таблица заполняется значениями cos(α + 2/3π) и cos(α – 2/3π). Микроконтроллер ARM отправляет данные в последовательном формате стандарта I²S с помощью процедуры обслуживания прерываний, запускаемой всякий раз, когда выходной буфер пуст. Обработчик прерываний для отправки данных содержится в Листинге 2. Микросхема IC₂ формирует выходные напряжения V_A и V_B – два из трех сигналов – с максимальной амплитудой 5 В пик-пик, но со смещением 2.5 В. Третий канал V_C можно получить как функцию от двух других каналов. Эту операцию можно легко реализовать с помощью одного инвертирующего суммирующего операционного усилителя IC₃ и опорного напряжения ЦАП 2.5 В для компенсации смещения. В этом случае для получения единичного усиления должно выполняться соотношение R_F = R_A = R_B = 10 кОм, а для точной компенсации смещения при отклонении сопротивлений резисторов можно добавить потенциометр на инвертирующий вход.

На Рисунке 2 показан результат синтеза трехфазных сигналов V_A, V_B и V_C. При проектировании следует иметь в виду, что из-за использования интерфейса I²S выходные сигналы имеют присущую им фазовую задержку. Для аудиоприложений этой задержкой, составляющей ровно 1/fs (fs – частота выборки), можно пренебречь, но в системах питания она может иметь значение. Прямой подход к устранению задержки заключается в синтезе второго канала с отрицательной фазовой задержкой, компенсирующей его собственную задержку. Из Рисунка 2 видно, что фазовая задержка между выходными каналами отсутствует, за исключением относительного сдвига 120° между ними. Поскольку для этого необходима только относительная разность фаз 120°, на выходе можно получать сигналы, отличные от чистой синусоиды.

Рисунок 2.	Осциллограммы 1 и 2 показывают напряжения на выходах ЦАП. Осциллограмма 4 – это третий канал, который обеспечивается инвертирующим суммирующим операционным усилителем.

Ссылки

1. Al Dutcher. Трехфазный ГУН на основе инверторов.
2. Perez-Lobato, Eduardo, “Three-phase sinusoidal-waveform generator uses PLD.”

Загрузки

1. Листинг 1. Код формирования таблицы косинусной функции
2. Листинг 2. Обработчик прерываний для отправки данных

Материалы по теме

1. Datasheet NXP UDA1330ATS
2. Datasheet Microchip AT91SAM7X256